第四章傳感器與信號處理第一節(jié)

進(jìn)氣流量傳感器第二節(jié)

節(jié)氣門位置傳感器第三節(jié)

轉(zhuǎn)速-曲軸位置傳感器第四節(jié)

溫度、壓力傳感器第五節(jié)

氧傳感器第六節(jié)

傳感器輸出信號的預(yù)處理第七節(jié)

數(shù)據(jù)采集引言：電控發(fā)動機(jī)傳感器種類傳感器是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是判定工況或故障的主要依據(jù)第一節(jié)

進(jìn)氣流量傳感器必要性：為達(dá)到E/G動力性、經(jīng)濟(jì)型和排放性之間的良好平衡，需要精確控制混合氣濃度。為此需要精確測量進(jìn)入氣缸的空氣流量。種類：熱線（熱模）式傳感器空燃比傳感器寬帶氧傳感器卡門渦式傳感器

結(jié)構(gòu)組成：熱線：布置在進(jìn)氣通道內(nèi)溫度傳感器：測進(jìn)氣溫度一、熱線式傳感器上游溫度傳感器熱線（鉑金）采樣管電路插座防止回火柵空氣定溫差控制回路:

控制熱線電流，使熱線與空氣溫差一定整流子：保證層流，使測量穩(wěn)定性測量原理VqmITHTA測量原理設(shè)熱線傳熱系數(shù)：對熱線，由熱平衡：空氣流動場中的熱線向空氣放熱冷卻；qm

，散熱A：熱線傳熱面積，m2；TH：熱線溫度，TA：空氣溫度，I：熱線電流，U：熱線兩端電壓。由定溫差控制回路，保持（TH-TA）一定，則

GV所以，熱線電流直接與空氣質(zhì)量有關(guān)。由空氣流量的變化，通過惠斯登電橋控制流經(jīng)熱線的電流，使（TH-TA）一定。則，此時其輸出特性為：特點(diǎn):不需要空氣密度修正。單臂電橋電橋等效電路熱線式流量計(jì)電路RH：熱線電阻，由鉑金絲構(gòu)成，常用正溫度系數(shù)電阻線；RK：溫度補(bǔ)償電阻，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，由TA改變電阻值；R1、R2：高阻抗電阻，保證b點(diǎn)電壓Ub保持在一定范圍內(nèi)；R3：固定精密電阻，其兩端信號U3可作為空氣流量的信號。單臂電橋，由定溫差控制電路控制熱線電流(0.5~1.2A)，使其保持在固定溫度。二、熱膜式傳感器(HFM)熱線式流量計(jì)存在的問題：

在高速氣流對熱線沖擊使其顫動而造成信號不穩(wěn)定。HFM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

熱膜式流量計(jì)不使用鉑絲作為熱線，而是將熱線電阻、補(bǔ)償電阻、精密電阻等用厚膜工藝制作在同一陶瓷基片上構(gòu)成熱膜特點(diǎn)：降低制造成本；在工作時發(fā)熱體不直接承受進(jìn)氣流動沖擊作用，從而提高發(fā)熱體的強(qiáng)度，提高可靠性和使用壽命；減小誤差，測量更穩(wěn)定；進(jìn)氣阻力小、響應(yīng)速度快、測量精度高；敏感，灰塵或油泥等都會損害其薄膜，需精心維護(hù)光電晶體管

卡門渦

導(dǎo)壓孔

渦發(fā)生體

管路

三、卡門渦式流量計(jì)構(gòu)成：整流器—將空氣流動整流為層流保證渦的發(fā)生穩(wěn)定；探測部—由渦發(fā)生體、導(dǎo)壓孔、

反射鏡；進(jìn)氣溫度傳感器—用來修正空燃比。測量原理：在層流場中放置一渦發(fā)生體，則在其后產(chǎn)生卡門渦群。卡門渦產(chǎn)生的頻率為：其中，St：斯特勞赫爾常數(shù);當(dāng)Re=10~104時，St=0.138~0.148；

d：渦發(fā)生體的特征尺寸；V：來流速度通過整流，保證層流，St=常數(shù)（0.138~0.148）。

即，通過測量卡門渦的頻率f，計(jì)算空氣的流速V，由此求得空氣流量Q。f∝V第二節(jié)節(jié)氣門位置傳感器類型：可變電阻式線性節(jié)氣門位置傳感器

通過電位計(jì)將節(jié)氣門開度的變化轉(zhuǎn)化為電信號；開關(guān)式節(jié)氣門位置傳感器

用觸點(diǎn)的接觸方式將節(jié)氣門開度位置轉(zhuǎn)化為電信號一、線性節(jié)氣門位置傳感器（TPS）1.結(jié)構(gòu)組成

可動觸點(diǎn)1電阻體2怠速觸點(diǎn)32.測量原理：隨節(jié)氣門開度變化，兩個觸點(diǎn)同時轉(zhuǎn)動；此時：可動觸點(diǎn)在可變電阻體上滑動，改變電阻值，使輸出電壓UM隨開度線性變化；而怠速觸點(diǎn)空轉(zhuǎn)，只又當(dāng)節(jié)氣門全關(guān)閉時怠速出點(diǎn)接通，由此準(zhǔn)確測量怠速狀態(tài)。R1:限流電阻;R2:電位計(jì)M點(diǎn):滑動觸點(diǎn)輸出特性(搭鐵)全關(guān)位置全開位置穩(wěn)壓電源測量(分壓)電路3.測量電路及輸出特性二、開關(guān)式節(jié)氣門位置傳感器1.結(jié)構(gòu)組成：導(dǎo)向凸輪槽—與節(jié)氣門同軸轉(zhuǎn)動；

可動觸點(diǎn)—沿導(dǎo)向凸輪槽滑動；

功率觸點(diǎn)/怠速觸點(diǎn)—固定不動。測量電路及輸出特性：結(jié)構(gòu)電路輸出特性第三節(jié)

轉(zhuǎn)速-曲軸位置傳感器分類：根據(jù)測量原理不同分為

電磁式、霍爾式、光電式三種一、電磁線圈式傳感器2.原理

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，凸緣和永久磁鐵之間的間隙發(fā)生變化，使磁通量隨之而變化

在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生周期性變化的電動勢E產(chǎn)生交流電，如圖a)轉(zhuǎn)速快時，E大頻率f高b)轉(zhuǎn)速慢時，E小頻率f低1.結(jié)構(gòu)

由轉(zhuǎn)子、感應(yīng)線圈、永久磁鐵組成

轉(zhuǎn)子上設(shè)有凸緣(齒)上止點(diǎn)位置：

感應(yīng)線圈的安裝位置在多齒轉(zhuǎn)子(缺齒靶輪)上對應(yīng)第一缸上止點(diǎn)（或上止點(diǎn)前某一角度）位置傳感器輸出的電壓信號頻率與轉(zhuǎn)速關(guān)系為：f：感應(yīng)電動勢頻率；np：轉(zhuǎn)速（凸輪或曲軸）；z：齒數(shù)曲軸位置：

多齒齒輪制成缺齒靶輪，由此檢測曲軸轉(zhuǎn)角位置。二、霍爾效應(yīng)式傳感器1.結(jié)構(gòu)

永久磁鐵1；

霍爾元件2；

旋轉(zhuǎn)遮罩板32.原理：霍爾效應(yīng)在流通電流I的導(dǎo)體上，垂直于電流方向施加磁通密度為B的磁場時，在垂直于由I和B構(gòu)成的平面上將產(chǎn)生感應(yīng)電壓UH。特點(diǎn)：抗干擾能力較強(qiáng)三、光電式傳感器1.結(jié)構(gòu)組成：發(fā)光二極管7光柵3光敏二極管6測量電路結(jié)構(gòu)2.電路及測量原理

發(fā)光二極管的光束,透過與曲軸同步旋轉(zhuǎn)的光柵盤后由光敏二極管接受；將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出特點(diǎn)：不受由點(diǎn)火系統(tǒng)等產(chǎn)生的磁場的干擾。但需防塵密封裝置第四節(jié)

溫度、壓力傳感器作用：檢測發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，以便修正，精確控制噴油量類型溫度傳感器：

進(jìn)氣溫度傳感器冷卻液溫度傳感器——表征發(fā)動機(jī)工作溫度狀態(tài)

油溫傳感器壓力傳感器：進(jìn)氣壓力傳感器。一、溫度傳感器常用熱敏電阻式1.熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)熱敏電阻傳感器2.測量原理

利用熱敏電阻（Thermistor）隨溫度而變化的特點(diǎn)3.類型

根據(jù)熱敏電阻隨溫度變化的特性分為：

正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)——電阻隨溫度成正比

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)——電阻隨溫度成反比熱敏電阻溫度特性NTC型傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將反應(yīng)材料封入封裝體內(nèi)；從體內(nèi)引出信號線和搭鐵線而成。反應(yīng)材料：用氧化鎳、氧化鈷、氧化錳等過氧化物金屬混合燒結(jié)而成；封裝體：具有抗酸蝕/耐高溫的金屬、樹脂或陶瓷等材質(zhì)制成PTC型傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與NTC型基本相同，但燒結(jié)混合的材料以陶瓷材料BaTiO3為主，因而其電阻隨溫度成正比變化。線性度好NTC型雙斜式溫度傳感器測量電路：提高測量精度低溫時VT截止:Tw

至設(shè)定值后VT導(dǎo)通:導(dǎo)通并聯(lián)R1//R2

U

二、壓力傳感器類型：進(jìn)氣壓力傳感器(ManifoldAbsolutePressureSensor，MAPS)有壓敏電阻式和可變電容式等多種作用：檢測進(jìn)氣壓力及其變化量速度-密度式用于修正。1.壓敏電阻式：由壓力變換元件和混合集成電路等構(gòu)成。

壓力變換元件：指用線膨脹系數(shù)接近單晶硅的鐵鎳

鋯合金制成的硅膜片；

膜片一面是真空室，另一面連接進(jìn)氣支管。硅膜片混合集成電路(電橋)：把壓力變換元件

輸出信號進(jìn)行放大。單臂式電橋測量原理：利用壓電效應(yīng)檢測進(jìn)氣壓力。

壓電效應(yīng)：單晶硅材料在受到應(yīng)力作用時其電阻率發(fā)生明顯變化。單臂式電橋當(dāng)電橋平衡時R1R4=R2R3；

故a、b兩端電壓相等，電流為0A；當(dāng)電橋在壓力作用下變形時，R1R4≠R2R3，a、b端產(chǎn)生電流輸出。進(jìn)氣壓力越高，硅膜片變形越大，輸出電壓越大。4個應(yīng)變電阻采用差動電橋連接

提高傳感器靈敏度；R2和R4在膜片變形時受到拉力，電阻隨壓力的增加而增大；而R1和R3受壓力，其電阻隨壓力的增大而減小2.可變電容式:由彼此平行的陶瓷材料（氧化鋁）板形成電容的兩個電極，中間抽成真空而制成，稱為壓敏電容器（pressuresensitivecapacitor）。當(dāng)中間兩極板間真空度發(fā)生變化時，

兩極板間隙隨之變化，從而使

電容器的電容也隨之改變。測量原理：

根據(jù)張弛振蕩器電路，有f=1/(2

RC)，即電容的大小決定電路充放電時間，并直接決定輸出方波的頻率；輸出波形如圖所示。

當(dāng)進(jìn)氣壓力的變化使電容發(fā)生變化時，振蕩器電路的諧振頻率發(fā)生相應(yīng)的變化；即振蕩器輸出頻率與進(jìn)氣壓力成正比，f變化范圍在80~120Hz之內(nèi)。

張弛振蕩電路及其波形張弛振蕩器是通過給電容充放電產(chǎn)生方波的一種振蕩器壓力傳感器的測量電路

傳感器送出的頻率信號經(jīng)過頻率/電壓轉(zhuǎn)換后，再通過濾波、A/D轉(zhuǎn)換，然后傳送到ECU進(jìn)行采樣處理。濾波A/DECU1）ZrO2式氧傳感器：電動勢大氣側(cè)白金電極ZrO2元件排氣側(cè)白金電極鍍層排氣大氣內(nèi)表面通大氣（O2濃度高），外表面通排氣（O2濃度低）。結(jié)構(gòu)：

U型ZrO2元件內(nèi)外壁設(shè)鉑金電極，且為保護(hù)電極涂陶瓷。第五節(jié)

氧傳感器作用：精確控制混合氣濃度-A/F類型：ZrO2式、TiO2式、空燃比傳感器、寬帶氧傳感器測量原理：ZrO2的特點(diǎn)：在高溫下（>300℃），其內(nèi)外表面有O2濃度差時，產(chǎn)生電V。即；測量原理2OrZ元件

-e4

tP

tP-22O

大氣2OP

排氣

2OP

--+畗eOO4222

--畗+2224OeOF：法拉第常數(shù)，

po2:排氣中的氧分壓[Pa]:大氣中的氧分壓[Pa]鉑金(pt)電極的催化作用：無鉑金時：既是

a<1，在排氣中總存在一定的氧，∴所產(chǎn)生的E小有鉑金時：在

a<1下殘存的低濃度氧，在白金催化作用下，與CO、H反應(yīng)，使氧濃度趨于零。

氧濃度差劇增，產(chǎn)生的E也劇增達(dá)到1伏左右。有鉑金時無鉑金時當(dāng)

a>1時，因排氣中O2濃度高，CO濃度低，所以，盡管O2與CO反應(yīng)，仍存在O2，故O2濃度差小，所產(chǎn)生的V小。ZrO2傳感器輸出波形

a<1時，輸出0.6V～0.9V；

a=1時，輸出0.45V；

a>1時，輸出0.3V～0.1VZrO2的起燃溫度

在高溫下（300C）起作用；

若溫度T變化，其特性也變。

所以，為保證O2傳感器處于高溫狀態(tài)，采取表面涂陶瓷保溫處理，并安裝在高溫處；或在ZrO2元件內(nèi)側(cè)設(shè)置加熱器——加熱型：ZrO2管加熱管(表面陶瓷)2）TiO2式氧傳感器：

是電子半導(dǎo)體

在其周圍O2的作用下，TiO2被氧化還原時，其阻抗發(fā)生變化。測量原理：利用其阻抗隨O2的濃度的變化關(guān)系：A：常數(shù)；T：絕對溫度；E：活化能；l/m：與晶格空穴有關(guān)的常數(shù)；pO2

：O2的分壓；k：波爾茲曼常數(shù)特點(diǎn)：

a<1時，O2濃度下降，R小；

a=1附近，O2濃度高，R階梯性升高，突變;

結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但，隨溫度T，阻抗R變化，所以需要修正。測量電路：

通過加熱電路，使發(fā)動機(jī)冷起動后不久進(jìn)入氧傳感器的有效測量范圍。

但由于其電阻的變化受排氣溫度影響很大

需加裝溫度補(bǔ)償電路三、稀薄混合氣（LAF）傳感器=空燃比傳感器結(jié)構(gòu)原理特性必要性：組織稀燃時需精確控制A/F氧傳感器的缺陷：稀燃時ZrO2元件內(nèi)外側(cè)氧濃度差很小，無法測量A/F，只測理論混合氣測量原理：當(dāng)ZrO2元件內(nèi)外側(cè)兩端鉑金電極上施加電壓時，其內(nèi)部與排氣中的氧濃度成比例的氧離子移動,形成電流

隨施加電壓增加當(dāng)達(dá)到一定值后就飽和的臨界電流I0特性:k:常數(shù)；DO2:氧的擴(kuò)散系數(shù)；p:全壓；pO2:氧的分壓S:擴(kuò)散層面積；T:熱力學(xué)溫度；l:擴(kuò)散層的厚度。四、寬域氧傳感器必要性：隨節(jié)能減排要求的日趨嚴(yán)格，不同工況A/F控制要求不同，傳統(tǒng)氧傳感器滿足不了，取而代之的就是寬域氧傳感器UEGO(UniversalExhaustGasOxygenSenser)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：感應(yīng)元4(ZrO2參考電池)和泵氧元2(ZrO2泵電池)兩部分組成；感應(yīng)元4的一面與大氣接觸，另一面是測試腔(擴(kuò)散室)，通過擴(kuò)散孔與排氣接觸；泵氧元2的一側(cè)與排氣接觸，另一側(cè)則與測試腔(擴(kuò)散室)相連。陽極陰極加熱器ECU陽極陰極加熱器ECU測量原理：ECU控制泵氧元Ip，使感應(yīng)元兩側(cè)的氧含量差始終保持一定值，使感應(yīng)元電壓值始終維持在0.45V；感應(yīng)元(ZrO2原理)兩側(cè)的氧含量不同時產(chǎn)生電動勢；泵氧元則用空燃比傳感器原理，將電壓施加于ZrO2元件上造成氧離子移動，由此將排氣中的氧泵入到擴(kuò)散室內(nèi)，使感應(yīng)元兩側(cè)電壓值始終保持在0.45V。施加在泵氧元上的電壓，就是所需要的氧含量的信號第六節(jié)傳感器輸出信號的預(yù)處理

開關(guān)信號：由高低電平表示，只需進(jìn)行簡單的整形放大處理即可送給ECU。為安全起見需信號隔離處理。一、開關(guān)/頻率信號預(yù)處理電路中，開關(guān)信號KEY-ON經(jīng)4049非門（反相器）取反后放大，再經(jīng)由光電隔離器件送到ECU口。4049非門：

6個反相器的集成電路；CMOS芯片有16個引腳，2個引腳用于電源供電/基準(zhǔn)電壓，12個引腳用于6個反相器的輸入/輸出，2個引腳懸空4049非門光電隔離器(光耦)放大光耦：發(fā)光二極管與光敏半導(dǎo)體封裝在同一管殼內(nèi)；實(shí)現(xiàn)"電-光-電"轉(zhuǎn)換，單向傳輸信號當(dāng)頻率信號滿足TTL(transistor-transistorlogic：晶體管-晶體管邏輯)電平要求時，可直接輸入ECU的I/O口；對幅值低的開關(guān)信號或小頻率信號，則應(yīng)放大、整形變換成TTL信號后再送入ECU；為消除噪聲，改善特性，對開關(guān)信號常接入具有遲滯特性的電路，即脈沖整形電路，如施密特觸發(fā)器。集成施密特觸發(fā)器7413輸出特性及轉(zhuǎn)換波形把變化緩慢的周期性信號變換為矩形脈沖信號觸發(fā)器7413傳輸特性利用二、模擬信號預(yù)處理傳感器輸出為模擬脈沖時，需接脈沖限幅電路，使輸出變成窄脈沖，然后用脈沖瞬值保持電路將脈沖擴(kuò)展。傳感器輸出為電流信號時，先通過I/U轉(zhuǎn)換；最簡單的I/U轉(zhuǎn)換器是精密電阻。多數(shù)傳感器輸出為模擬電壓信號，幅度為毫伏或微伏數(shù)量級，在信號內(nèi)還夾有干擾和噪聲。預(yù)處理的內(nèi)容：將低電壓信號放大成為A/D轉(zhuǎn)換器所要求的滿量程；同時要抑制干擾，降低噪聲，保證檢測的精度。對傳感器信號的放大處理：微弱信號用三運(yùn)放放大器；小信號則用通常放大器

三運(yùn)放放大器組成：由三個集成運(yùn)算放大器組成；A1、A2為兩個性能一致（輸入阻抗、共模抑制比和增益），同相輸入構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級；A3構(gòu)成雙端輸入單端輸出，抑制A1、A2的共模信號。常用：7650-CMOS載波集成運(yùn)放，但負(fù)載的驅(qū)動能力小(10KΩ負(fù)載)對傳感器信號噪聲與干擾的濾波處理：方法：采樣開關(guān)前加入適當(dāng)?shù)哪M濾波器，稱為前置模擬低通濾波器。

f：濾波器的轉(zhuǎn)折頻率濾波器參數(shù)的選擇：保證在系統(tǒng)頻帶內(nèi)信號幅值變化平坦；而在頻帶外信號幅值衰減較大。如要求在ωs/2處衰減50%時，采樣周期T與Tf的近似關(guān)系為T=0.16Tf對于低頻干擾信號，常采用數(shù)字濾波對于高頻干擾信號，采用模擬濾波器

低通濾波器的傳遞函數(shù)：常用模擬濾波器電路：RC濾波網(wǎng)絡(luò)；

(例)節(jié)氣門位置傳感器輸出信號的處理電路：

時間常數(shù)為Tf=RC傳感器輸出的模擬信號

VT5放大，再經(jīng)以運(yùn)放LM324為核心構(gòu)成的濾波放大電路處理后，傳送到A/D轉(zhuǎn)換器。第七節(jié)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集：包括采樣、量化和編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的一系列過程。一、數(shù)據(jù)采集的配置a）典型的數(shù)據(jù)采集配置：

多個傳感器預(yù)處理電路輸出經(jīng)濾波接入模擬電壓開關(guān)，然后經(jīng)過取樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換后

CPU。b）同時采集系統(tǒng)配置：

同時采集系統(tǒng)，取樣保持電路設(shè)在多路模擬開關(guān)之前；同一時刻獲得各取樣點(diǎn)的模擬量。c）高速采集系統(tǒng)配置

需高速取樣時，系統(tǒng)中需要每個傳感器都經(jīng)過對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器再進(jìn)入多路模擬開關(guān)；成本有所提高。以上三種多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)是單端的，各輸入信號以一個公共點(diǎn)為參考點(diǎn)，此公共點(diǎn)可能與預(yù)處理放大器和A/D參考點(diǎn)處于不同電位而引入干擾電壓造成測量誤差。d）分時采集系統(tǒng)配置

可抑制共模干擾，其特點(diǎn)是模擬開關(guān)MUX設(shè)在采樣保持電路之前，采用雙輸出器件。二、取樣周期的選擇取樣周期TS：指對輸入信號進(jìn)行兩次采樣之間的時間間隔。取樣定理：

一個頻帶有限的信號如果其最大頻率為fm，則可以用時間間隔不大于1/(2fm)(即取樣周期)的抽樣唯一確定。取樣頻率ωs的確定：同時考慮一下幾個方面

為了取樣不失真，一般取ωs=(2.5~3)ωmax，甚至=(5~10)ωmax(輸入信號最大頻率)TS>A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期；一個采樣周期內(nèi)應(yīng)完成全部算法的計(jì)算；但，TS過長采樣信號失真三、A/D轉(zhuǎn)換器及其選擇A/D的功能：把模擬量變換成數(shù)字量。1）A/D轉(zhuǎn)換器的類型直接A/D轉(zhuǎn)換器：包括逐次逼近型、并聯(lián)比較型以及串并行比較型等；特點(diǎn)是把模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。逐次逼近型：

包括n位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器；由控制邏輯電路、時鐘、移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。原理：輸入的模擬信號與不同參考電壓多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)的電壓值。當(dāng)啟動控制邏輯電路后，在第一個時鐘脈沖CP下，移位寄存器的最高位置1，其他位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將1000……0送入D/A轉(zhuǎn)換器；模擬輸入量v1與D/A器輸出電壓vo=VREF/2相比較，當(dāng)v1≥VREF/2時，比較器輸出為1；若v1<VREF/2，則比較器輸出為0；比較結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的Dn-1位。

然后在第二個時鐘脈沖下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0；如果最高位已存1，則此時vo=(3/4)VREF；則v1與(3/4)VREF相比較；如果v1≥(3/4)VREF，次高位Dn-2存1，否則Dn-2=0；如果最高位為0，則vo=VREF/4；v1再與vo比較，如v1≥VREF/4，則Dn-2位存1，否則存0……。

以此類推。特點(diǎn)：分辨率和速度較高(1μs~1ms)，輸出響應(yīng)快，易集成；

但抗干擾能力較差并行比較型(TLC5510)：采用多個比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換

又稱FLash(快速)型。包括：時鐘、基準(zhǔn)電壓分壓器、1套高4位采樣比較器、編碼器、鎖存器、2套低4位采樣比較器等。原理：外部時鐘信號CLK經(jīng)內(nèi)部時鐘產(chǎn)生3路內(nèi)部時鐘，驅(qū)動3組采樣比較器；基準(zhǔn)電壓分壓器用來為這3組比較器提供基準(zhǔn)電壓；輸出A/D信號的高4位由高4位編碼器直接提供，而低4位的采樣數(shù)據(jù)則由兩個低4位編碼器交替提供。工作時序內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作時序：時鐘信號CLK在每一個下降沿采集模擬輸入信號。在第一個時鐘周期的下降沿到來時，模擬輸入電壓被采樣到高比較器和低比較器中；在第二個時鐘周期的上升沿高比較器確定高位數(shù)據(jù)，同時低基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與高位數(shù)據(jù)相應(yīng)的電壓；在第三個時鐘周期的上升沿低比較器確定低位數(shù)據(jù);在第四個時鐘周期的上升沿高位數(shù)據(jù)和低位數(shù)據(jù)進(jìn)行組合。這樣，第N次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過2.5個時鐘周期的延遲之后，可送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。此時如果輸出使能OE有效，數(shù)據(jù)就被送至8位數(shù)據(jù)總線上。特點(diǎn)：最大周期為50ns，最小采樣速率達(dá)20Msps；CMOS工藝，

比較器的數(shù)量，功耗較低；但n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，故電路規(guī)模很大，成本高；適用于視頻域。串并行比較型：

結(jié)構(gòu)：介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器配合D/A轉(zhuǎn)換器組成;

特點(diǎn)：用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為Halfflash(半快速)型；或分成三步或多步實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換——分級型A/D轉(zhuǎn)換器；從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線型A/D轉(zhuǎn)換器。這類A/D轉(zhuǎn)換器的速度比逐次比較型高，而電路規(guī)模比并行型小。間接A/D轉(zhuǎn)換器：

先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；包括積分型、電壓/頻率變換型，以及電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。雙積分型(TLC7135)：

將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。

優(yōu)點(diǎn)：用簡單電路獲得高分辨率，可達(dá)12~20位，且抗干擾能力很強(qiáng)，成本低；

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，故轉(zhuǎn)換速度較慢（4ms~1s）。電壓/頻率變換型(AD650)：由積分器、比較器和整形電路構(gòu)成；轉(zhuǎn)換原理：首先將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率脈沖信號，然后用頻率計(jì)/計(jì)數(shù)器將脈沖頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；特點(diǎn)：響應(yīng)快，抗干擾性好，可連續(xù)轉(zhuǎn)換；但分辨率取決于采樣時間。2）A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辯率(Resolution):又稱精度指最小數(shù)字量變化對應(yīng)的模擬信號變化量；定義為滿刻度與2n（n為位數(shù)）的比值；常以其轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號位數(shù)來表征：轉(zhuǎn)換位數(shù)高，分辨率高，轉(zhuǎn)換精度高。轉(zhuǎn)換速率(ConversionRate)：

指完成一次模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量的AD轉(zhuǎn)換所需時間的倒數(shù)。積分型A/D轉(zhuǎn)換時間為毫秒級(低速型)；逐次比較型為微秒級(中速型)；并行/串并行型的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到納秒級。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時為保證A/D轉(zhuǎn)換器正常完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，要求轉(zhuǎn)換速率必須大于采樣速率。量化誤差(QuantizingError)：

指由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辯率有限而引起的誤差，定義為有限分辯率A/D轉(zhuǎn)換的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率A/D（理想A/D）轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。

通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，1LSB或1/2LSB。偏移誤差(OffsetError)：指輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小3）常用A/D轉(zhuǎn)換器及其與ECU的接口方式常用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片：5G14433（8位）、ICL7315（8位）、ADC0809（8位）、ADC1210（12位）、ADC574（12位）等；功能上都有共同點(diǎn)：

①模擬信號輸入端；

②數(shù)字量的并行輸出端；

③啟動轉(zhuǎn)換的外部控制信號；

④轉(zhuǎn)換完畢發(fā)出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。接口方式：有兩種，對可控三態(tài)門A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出線可以與微處理器的數(shù)據(jù)總線直接相連；對于無可控三態(tài)門電路，其數(shù)據(jù)輸出線不能與微處理器的系統(tǒng)總線直接相連，這時須通過鎖存器作中介。所有型號的A/D轉(zhuǎn)換器芯片的數(shù)據(jù)總線與地址總線幾乎都是一樣，和CPU的連接方式基本相同，差異僅在控制信號。8031與0809連接圖A/D單片機(jī)第八節(jié)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)處理技術(shù)必要性：A/D轉(zhuǎn)換后所得數(shù)字信號一般不能直接為ECU程序使用，需進(jìn)行必要的加工：如標(biāo)度變換、非線性補(bǔ)償、數(shù)字濾波等稱之為軟件處理?？蛇M(jìn)一步提高測量精度、可靠性，從而改善控制系統(tǒng)的性能。一、標(biāo)度變換標(biāo)度轉(zhuǎn)換：不同傳感器的測量都有不同的量綱，所以經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后需轉(zhuǎn)換成人們熟悉的工程值。1）線性參數(shù)的標(biāo)度變換y：測量值；x：y對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值ym：量程最大值；y0：量程最小值；Nm：ym對應(yīng)的A/D后的數(shù)字量；N0：y0對應(yīng)的A/D后的數(shù)字量。常數(shù)2）非線性參數(shù)的標(biāo)度變換：多項(xiàng)式變換法采用多項(xiàng)式插值進(jìn)行標(biāo)度變換：步驟：先決定多項(xiàng)式次數(shù)N；然后選取N+1個測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，測出實(shí)際參數(shù)值yi與傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)值xi；代入上式求出A0~Ai各項(xiàng)系數(shù)；再依據(jù)上式編制子程序?qū)?shí)測數(shù)值進(jìn)行標(biāo)度變換二、非線性補(bǔ)償技術(shù)1）線性插值法非線性傳感器輸入輸出特性對傳感器非線性特性進(jìn)行分段；每一段用直線段近似表示則可用線性方法求出任一輸入值所對應(yīng)的輸出值。設(shè)輸入值在(xi,xi+1)之間，則對應(yīng)的輸出值y為簡化分段越細(xì)，插值精度越高2）二次曲線插值法當(dāng)兩插值點(diǎn)之間曲線很彎曲時，采用二次曲線插值。即式中，K0、K1、K2由曲線的三個點(diǎn)坐標(biāo)代入上式求得3）查表法傳感器特性過于復(fù)雜，采用查表法進(jìn)行處理即事先通過計(jì)算或測量，建立被測值和檢測結(jié)果的對應(yīng)表，存入內(nèi)存單元。三、數(shù)字濾波技術(shù)必要性：實(shí)際測量中，傳感器輸出信號不可避免地會受到干擾。措施：模擬濾波+數(shù)字濾波數(shù)字濾波特點(diǎn)：①不需硬件設(shè)備，只要在控制算法之前加濾波軟件即可；②避免在模擬濾波電路中必須考慮的阻抗匹配問題；③數(shù)字濾波軟件可作為公共程序，多個通道可共享；④可對頻率很低的信號進(jìn)行濾波；⑤使用靈活方便，隨時根據(jù)需要調(diào)換不同的濾波算法和參數(shù)。缺點(diǎn)：數(shù)字濾波要占用計(jì)算機(jī)時，速度要比模擬濾波慢。1）

算術(shù)平均濾波法對連續(xù)測量的若干個數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運(yùn)算的值作為測量結(jié)果。即y(k)：第k次N個取樣值的算術(shù)平均值；xi：第i次取樣值；N：取樣次數(shù)適用于信號在某一數(shù)值范圍上下波動的情況；但不宜用于測量速度要求較高的實(shí)時系統(tǒng)。如采用速率為10次/s，每秒輸入4次數(shù)據(jù)時，N不能大于22）滑動平均濾波法

將測量數(shù)據(jù)按先后次序排列，隊(duì)列長度定為N，對N個數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，丟掉隊(duì)列中的第一個數(shù)，將剛算得的均值補(bǔ)充進(jìn)來作為最后一個“新”數(shù)據(jù)，再求平均。3）加權(quán)平均濾波法目的：增加或減少某些取樣的權(quán)重，以改善濾波效果其中，Ci(i=1~N)為各次取樣值的權(quán)重系數(shù)，均為常數(shù)，且滿足權(quán)重的選取：對近期取樣值取較大的權(quán)值

增強(qiáng)新的取樣值在加權(quán)平均濾波中的作用。第九節(jié)傳感器的基本特性及數(shù)學(xué)模型

一、傳感器的數(shù)學(xué)模型目的：通過某種函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入間的關(guān)系和特征，由此指導(dǎo)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校正和使用。1）靜態(tài)模型靜態(tài)模型：指在靜態(tài)信號情況下，描述傳感器的輸出與輸入量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)忽略蠕動效應(yīng)和遲滯效應(yīng)時，靜態(tài)模型為：x：輸入量；y：輸出量；a0：零位輸出；a1：傳感器線性靈敏度；a2~an：非線性項(xiàng)的待定系數(shù)2.動態(tài)模型指傳感器在輸入信號隨時間變化的條件下，描述其輸出和輸入信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。描述連續(xù)變化(模擬)系統(tǒng)時，常用常微分方程來描述。式中：an，an-1，…，a0和bm，bm-1，…，b0為與傳感器結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。除b0≠0外，一般取b1=b2=…=bm=0。對于復(fù)雜系統(tǒng)，常用拉普拉斯變換或傳遞函數(shù)來描述設(shè)

y(t)在t≤0時，y(t)=0，則y(t)的拉普拉斯變換為：其中，S=

+j

，

>0對模擬系統(tǒng)的微分方程兩邊取拉普拉斯變換，有則

定義傳遞函數(shù)H(S)：H(S)與輸入量x(t)無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)ai，bi有關(guān)二、傳感器的基本特性由于傳感器輸入量狀態(tài)不同，其輸入-輸出特性也不同輸入狀態(tài)：靜態(tài)信號和隨時間變化的動態(tài)信號1）靜態(tài)特性指標(biāo)1.線形度或非線性誤差：指傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。

max：輸出量和輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差；

YFS：輸出滿量程值2.靈敏度：指在穩(wěn)態(tài)下輸出增量

y與輸入增量

x的比值對線性傳感器，靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率：非線性傳感器，其靈敏度是一個變量，用dy/dx表示傳感器在某一工作點(diǎn)上的靈敏度。3.

重復(fù)性：指傳感器在輸入量按統(tǒng)一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。具有隨機(jī)誤差性質(zhì)Ez：重復(fù)性誤差

：標(biāo)準(zhǔn)偏差。4.遲滯現(xiàn)象：指傳感器輸入量增大行程和輸入量減小行程期間，輸出—輸入特性